宽温度压力条件下爆震燃烧模态转换规律与调控机理

Detonation is the key scientific issue in aerospace engines and advanced internal combustion engines under extreme operating condition. This project focuses on the key research plan of fundamental turbulent combustion research faced to engine to investigate the common scientific issues of engine combustion. To investigate the detonation mode transition and control in combustion engines, three key scientific research problems are researched, which include coupling mechanism of shock wave, turbulence and chemical reactions; numerical models and methods of detonation; mode control of engine detonation. Advanced detonation combustion test platform, numerical simulation methods and laser measurement technology are used systematically in this project. The DDT (Deflagration to Detonation Transition) mechanism will be investigated. The coupling mechanism of multiple hot-spots, multiple flame fronts and combustion chamber walls to induce DDT will be studied. The effect of shock, turbulence and its eddy structure on detonation combustion, and its mechanism will be investigated. The control method and its mechanism of suppressing or promoting detonation will be investigated. The detonation mechanism will be revealed. The new combustion model concerning shock wave propagation and its effect on combustion will be developed. The detonation combustion calculation method of adaptive mesh and adaptive chemistry will be studied. The new suppressing methods in internal combustion engine and new promoting methods in detonation engines will be proposed. The combustion theory will be extended. Furthermore, the achievement will guide the independent development of high efficiency and clean combustion engines in China.

爆震燃烧是航空航天推进系统和先进内燃机在极端条件下燃烧的共性科学问题。本项目紧密结合“面向发动机的湍流燃烧基础研究”重大研究计划，针对爆震燃烧模态转换规律及调控, 围绕宽温度压力条件下多种燃烧模态的高精度鉴别及相互转换规律、发动机爆震燃烧的数值模型与计算方法、发动机爆震燃烧的调控三个关键科学问题，采用先进的爆震燃烧试验平台、数值模拟以及激光测试技术，开展爆震过程及爆震火焰结构与传播机理研究，多热点、多火焰面和壁面相互作用诱发爆震机理研究，激波、湍流及其涡团结构对爆燃燃烧的作用机理研究，抑制/强化爆震燃烧过程的调控方法及其机制研究，揭示发动机爆震的机理，发展新的考虑激波传播及其对燃烧影响的模型，发展自适应网格自适应化学的爆震燃烧计算方法，提出内燃机中抑制爆震和爆震发动机中促进爆震新思路；研究结果将丰富和发展燃烧理论，同时可指导我国高效清洁发动机自主开发。

爆震燃烧是先进汽车内燃机和航空航天发动机的共性问题。然而在内燃机通常需要避免出现爆震燃烧以保护发动机，而某些航空航天发动机，如脉冲爆震发动机和旋转爆震发动机，则必须要形成爆震燃烧。因此深入阐明爆震燃烧机理，才能科学地实现对爆震燃烧的调控，为开发先进发动机提供指导。.本项目首先使用可视化方法研究了从点火到爆震的完整燃烧过程，获得了最直观的爆燃-爆震转变规律；然后分别使用LES和DNS方法对不同条件下的爆震燃烧进行了数值模拟，获得了燃烧过程中火焰-激波-壁面的相互作用历程；最后在发动机上研究了燃料、混合气性质等措施对爆震燃烧的调控效果。.所获得重要成果和结论包括：.（1）建立了适用于爆震研究的实验装置；开发了适用于爆震预测的简化PRF燃料化学反应动力学机理；搭建了适用于不同起爆问题的CFD计算平台。.（2）鉴别出四种起爆形式，发现起爆过程存在两次自燃，第一次为微弱自燃，通常发生在近壁面区域，第二次为起爆点的局部热爆炸。.（3）圆形燃烧室中激波反射起爆的机理为，激波在圆形壁面上的马赫反射导致在滑移线与壁面之间形成高温高压区，使反应面与激波耦合引发爆轰。.（4）燃料的NTC作用在末端混合气的近壁面自燃行为中可能并不起主导作用。.（5）甲醇的爆轰倾向随末端混合气能量密度减小而加强，与异辛烷不同.（6）甲醇的末端混合气自燃可以出现超音速爆燃，异辛烷则未有此现象。.（7）爆震强度随点燃火焰燃烧速度的变化具有非单调性。.（8）以燃烧速率、已燃区分数和能量密度作为特征参数，建立了发动机条件的爆震预测图谱。.（9）使用汽油+醇类的双燃料双喷射，实现了对爆震的抑制。.（10）激波汇聚和激波与边界层火焰作用是局部爆炸发生进而形成爆轰的原因，粘性效应和热传导在微尺度爆燃转爆轰过程中具有重要作用。.（11）无约束空间中胞格不稳定性对起爆具有抑制作用。